自主化大功率電磁鐵的設(shè)計(jì)與仿真

顧珈歡， 賀 成

（中國(guó)制動(dòng)海泰制動(dòng)公司， 江蘇 南京 210000）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)不斷地向前發(fā)展， 各行各業(yè)產(chǎn)業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化程度不斷提高，電磁鐵作為一種電機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、服務(wù)業(yè)等諸多領(lǐng)域[1]。 電磁鐵是一種以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)出的的電器轉(zhuǎn)換裝置，它的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可產(chǎn)生較大的吸力、無(wú)污染、動(dòng)作可靠等。其主要應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域，可以很好地滿足車輛上遠(yuǎn)程緩解指令的工作需求。 遠(yuǎn)程緩解電磁鐵需要對(duì)空開(kāi)進(jìn)行遠(yuǎn)程復(fù)位，提高了列車的安全可靠度，所以開(kāi)展遠(yuǎn)程復(fù)位裝置的研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

在實(shí)際生產(chǎn)中， 有些領(lǐng)域?qū)Ｓ玫碾姶盆F的工況要求其具有行程大、電磁力大、響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)，然而相關(guān)的研究和報(bào)道還鮮有見(jiàn)聞[3]。 作者提出了用于操縱列車空開(kāi)復(fù)位的一種新型大吸力長(zhǎng)行程電磁鐵， 該電磁鐵行程大、磁力大、體積小、可靠性高。 由于這些特性，其瞬時(shí)功率較大，存在線圈溫升過(guò)高的風(fēng)險(xiǎn)，極易導(dǎo)致電磁鐵燒損或失效。 為此，作者提出的一種新型大功率遠(yuǎn)程緩解電磁鐵，將電路控制模塊與電磁鐵集為一體，可設(shè)定其控制電路的通電時(shí)長(zhǎng)，從而保護(hù)電磁鐵避免過(guò)熱損壞。 本文針對(duì)這一點(diǎn)展開(kāi)了充分的設(shè)計(jì)及仿真分析，首先，利用Ansoft仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)得到的電磁鐵進(jìn)行靜態(tài)磁場(chǎng)仿真分析，討論大功率電磁鐵在不同氣隙下的磁密分布情況， 分析材料對(duì)電磁鐵工作特性的影響。 然后利用ANSAYS 仿真軟件模擬電磁鐵通電時(shí)動(dòng)態(tài)特性， 建立磁熱耦合物理場(chǎng)仿真環(huán)境，分析其通電規(guī)定時(shí)長(zhǎng)后溫升狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際情況確定通電時(shí)長(zhǎng)。 最后通過(guò)溫升試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 電磁鐵結(jié)構(gòu)及工作原理

作為一種把電氣控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械信號(hào)的遠(yuǎn)程緩解裝置，它是利用線圈在通電后產(chǎn)生電磁力，以驅(qū)動(dòng)銜鐵來(lái)推動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程復(fù)位的一種將電能轉(zhuǎn)換成為磁能，然后轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置。 它主要由銜鐵、鐵芯和線圈等構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 電磁鐵結(jié)構(gòu)示意圖

遠(yuǎn)程緩解電磁鐵的結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單，但由于磁性材料的線性損耗、磁滯損耗、渦流損耗等原因，線圈溫度會(huì)升高，導(dǎo)致電磁鐵的磁勢(shì)大小和磁阻會(huì)隨著線圈溫度的變化而變化，因此考慮電磁鐵的溫升問(wèn)題也極為重要。 本型號(hào)電磁鐵自主設(shè)計(jì)了控制電路， 其目的就是為了在電磁鐵能夠可靠完成動(dòng)作后斷開(kāi)激勵(lì)，從而避免線圈長(zhǎng)時(shí)間通電過(guò)熱，導(dǎo)致電磁鐵失效。

電路控制部分由濾波、防護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和MOS 管組成。濾波、防護(hù)電路由磁珠、電容和TVS 管組成，防止外部干擾對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的誤觸發(fā)和防護(hù)功能。驅(qū)動(dòng)電路和MOS 管共同驅(qū)動(dòng)線圈得失電，從而控制閥體裝置的動(dòng)作。 保護(hù)電路可以使模塊在啟動(dòng)幾秒后將MOS 管進(jìn)行切斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)位模塊的保護(hù)，對(duì)復(fù)位模塊所控設(shè)備的保護(hù)。 其中電路控制部分原理見(jiàn)圖2。

圖2 電路控制原理

為了得到合理的設(shè)計(jì)參數(shù)還需要結(jié)合電磁仿真、溫度場(chǎng)仿真， 對(duì)電磁鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)并反復(fù)計(jì)算。

2 有限元電磁仿真分析

2.1 電磁場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

通常磁路計(jì)算或著數(shù)值計(jì)算方法對(duì)電磁鐵結(jié)構(gòu)和工作特性進(jìn)行計(jì)算與分析。 磁鐵結(jié)構(gòu)復(fù)雜的磁路計(jì)算量較大、過(guò)程復(fù)雜、偏差較大、極易出錯(cuò)，而有限元數(shù)值計(jì)算法目前已經(jīng)成了各種電磁場(chǎng)、 電磁波工程問(wèn)題定量分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要計(jì)算方式， 通過(guò)采用計(jì)算機(jī)求解微分或積分形式的磁場(chǎng)位勢(shì)方程，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)的分布規(guī)律，是一種快速、準(zhǔn)確、可靠的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。 磁場(chǎng)的分析采用麥克斯韋方程組，方程組包含法拉第電磁感應(yīng)定律、麥克斯韋、安培定律、高斯電通定律、高斯磁通定律和電荷守恒定律等方程[4]，它是宏觀電磁場(chǎng)問(wèn)題的基石，又是電磁場(chǎng)有限元分析的依據(jù)。 麥克斯韋方程組如下所示[5-8]：

磁場(chǎng)強(qiáng)度H 滿足安培環(huán)路定理，即

式中：n—沿積分表面外法線單位向量；S—?dú)庀短庛曡F端面面積。

2.2 有限元仿真分析

遠(yuǎn)程緩解電磁閥整體外形尺寸較小， 動(dòng)鐵芯行程較大，經(jīng)過(guò)充分的調(diào)研分析，認(rèn)為該閥體材料采用DT4E 軟磁材料。文中設(shè)計(jì)的電磁鐵是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，采用坐標(biāo)系為Cylindrical aboutZ 的靜磁場(chǎng)求解器，只需建立電磁鐵的一半模型即可。 模型建立后， 還要給出求解邊界、激勵(lì)源、網(wǎng)格劃分、材料設(shè)置、求解參數(shù)等[9]，相關(guān)仿真參數(shù)的設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 電磁鐵仿真參數(shù)表

電磁鐵的靜態(tài)特性主要取決于其結(jié)構(gòu)和材料，通過(guò)改變相應(yīng)參數(shù)的大小分析0～20mm 氣隙下的靜態(tài)特性，為電磁鐵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和工作特性的討論提供參考。

額定電壓下電磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布見(jiàn)圖3。

圖3 磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

電磁鐵的工作效率受電磁鐵工作點(diǎn)設(shè)計(jì)很大的影響， 最佳工作點(diǎn)的位置一般應(yīng)取值于鐵心材料磁化曲線的膝點(diǎn)附近。如果工作點(diǎn)設(shè)計(jì)在膝點(diǎn)上方，那么材料工作在過(guò)飽和狀態(tài)，太多的磁勢(shì)消耗在了鐵心的磁阻上，大大減小了電磁鐵的工作效率；如果工作點(diǎn)設(shè)計(jì)在膝點(diǎn)下方，則相比同樣質(zhì)量的電磁鐵輸出有用功就會(huì)小， 電磁鐵質(zhì)量不可以實(shí)現(xiàn)充分利用[10-11]。 由圖4 DT4C 的磁化曲線可知，DT4C 材料膝點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.5T， 磁場(chǎng)強(qiáng)度為1200A/m。對(duì)照遠(yuǎn)程緩解電磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖可知選用DT4C 作為銜鐵及鐵芯材料較為理想。

圖4 DT4C 材料B-H 曲線圖

由磁力線分布情況可知該結(jié)構(gòu)漏磁較少，能效較高。磁力線分布情況見(jiàn)圖5。

圖5 電磁鐵磁力線分布圖

通過(guò)改變鐵芯位移參數(shù)得到鐵芯在不同氣隙下所受電磁力值，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 DC110V 時(shí)不同間隙下的力值

3 受力分析

遠(yuǎn)程復(fù)位裝置鐵芯的平衡由電磁力、摩擦力、重力、彈簧彈力構(gòu)成。 根據(jù)有限元電磁力仿真結(jié)果結(jié)合實(shí)際工況可做如下分析：

鐵芯重力約為0.46N，頂板重力約為0.147N，頂桿重力約為0.033N，彈簧重力約為0.0025N。

3.1 得電分析

根據(jù)仿真結(jié)果可知常溫額定電壓下通電瞬間電磁吸力約為29.5N 。

F合=F電磁力-F重=28.893N（方向向上） （8）

通過(guò)仿真計(jì)算得到動(dòng)鐵芯合力約為28.893N，且方向向上，則動(dòng)鐵芯可以克服反力快速向上運(yùn)動(dòng)。

鐵芯運(yùn)動(dòng)20mm 后，氣隙約0mm 時(shí)，復(fù)位彈簧被壓縮至最短，動(dòng)鐵芯受到一個(gè)向下的力，仿真計(jì)算得到此時(shí)所受電磁力為88.3N。

F合=F電磁力-F重-F彈=88.3-0.607-17.6=70.093N（方向向上） （9）

通過(guò)仿真計(jì)算得到動(dòng)鐵芯合力約為70.093N，且方向向上，則可以保證動(dòng)鐵芯穩(wěn)定吸合。

（3）當(dāng)電磁鐵推動(dòng)空開(kāi)且所受阻力最大時(shí)（約為10N），電磁鐵的力值約31.2N，合力約為20.6N，方向向上，可保證空開(kāi)被推起。

3.2 失電分析

為保證遠(yuǎn)程復(fù)位裝置在5%額定電壓下正常釋放，頂部增加復(fù)位彈簧設(shè)計(jì)。 此時(shí)動(dòng)鐵芯需克服電磁力向下運(yùn)動(dòng)，根據(jù)仿真分析結(jié)果知此時(shí)所受電磁力為1.6N。

通過(guò)仿真計(jì)算得到動(dòng)鐵芯合力約為16.607N，且方向向上，則可以保證動(dòng)鐵芯快速?gòu)?fù)位。

3.3 動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間分析

利用Ansays 動(dòng)態(tài)仿真模塊，對(duì)遠(yuǎn)程復(fù)位裝置的吸合動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果見(jiàn)圖7， 完成吸合動(dòng)作所需時(shí)長(zhǎng)為37.8ms。 滿足工況要求。

圖7 吸合過(guò)程鐵芯位移曲線

4 磁熱耦合場(chǎng)仿真分析

由于本文提出的遠(yuǎn)程緩解電磁鐵工況要求較為苛刻，需要設(shè)計(jì)尺寸小、行程大、電磁力大，因此其功率自然較大。 再加上磁性材料的線性損耗、磁滯損耗、渦流損耗等原因，線圈溫升會(huì)較高，導(dǎo)致電磁鐵的磁勢(shì)大小和磁阻會(huì)隨著線圈溫度的變化而變化， 嚴(yán)重者將導(dǎo)致電磁鐵失效和燒損。因此考慮電磁鐵的溫升問(wèn)題也極為重要。本型號(hào)電磁鐵設(shè)計(jì)了控制電路， 其目的就是為了在電磁鐵能夠可靠完成動(dòng)作后斷開(kāi)激勵(lì)， 從而避免線圈長(zhǎng)時(shí)間通電過(guò)熱電磁鐵失效。

本章通過(guò)Ansays 熱耦合功能對(duì)電磁鐵進(jìn)行熱仿真設(shè)計(jì)，以此確定保護(hù)電路的通斷時(shí)間。

4.1 材料參數(shù)

材料參數(shù)種類較多，部分部件材料參數(shù)難以確認(rèn)，通過(guò)近似材料進(jìn)行設(shè)定，見(jiàn)圖8。

圖8 遠(yuǎn)程緩解電磁鐵主要部件材料類型

4.2 遠(yuǎn)程緩解電磁鐵有限元建模

對(duì)遠(yuǎn)程緩解電磁鐵進(jìn)行有限元建模，由于遠(yuǎn)程緩解電磁鐵殼體為鑄造件，且零件造型較為復(fù)雜，通過(guò)四面體進(jìn)行劃分，具體有限元模型見(jiàn)圖9。

圖9 遠(yuǎn)程緩解電磁鐵有限元模型

4.3 接觸與邊界條件

遠(yuǎn)程緩解電磁鐵內(nèi)部零件之間采用接觸設(shè)置， 零部件空隙通過(guò)抽取空間域，并賦予材料（空氣）進(jìn)行簡(jiǎn)化，具體接觸對(duì)分布見(jiàn)圖10。

圖10 遠(yuǎn)程緩解電磁鐵模型接觸分布

遠(yuǎn)程緩解電磁鐵溫度場(chǎng)分析計(jì)算的邊界條件較為簡(jiǎn)單，第一種邊界條件為熱功率，由線圈發(fā)熱產(chǎn)生，第二種邊界條件為外殼對(duì)流換熱，且為自然對(duì)流換熱。 環(huán)境溫度初定為22℃，見(jiàn)圖11。

圖11 遠(yuǎn)程緩解電磁鐵模型邊界條件

4.4 溫度場(chǎng)仿真結(jié)果

按照最大發(fā)熱功率為315.6W，運(yùn)行2s 進(jìn)行仿真，可知線圈最大溫度44.4℃，外殼最大溫度29.3℃，符合漆包線絕緣耐熱等級(jí)要求，且電磁鐵的動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間在30ms之內(nèi)， 因此將控制電路的通斷時(shí)間設(shè)置為2s 較為合適。這樣即可保證電磁鐵可靠的動(dòng)作到位， 也可保護(hù)電磁鐵避免線圈溫度過(guò)高導(dǎo)致失效，見(jiàn)圖12 和圖13。

圖12 遠(yuǎn)程緩解電磁鐵外殼溫度分布云圖

圖13 遠(yuǎn)程緩解電磁鐵線圈溫度分布云圖

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用拉力試驗(yàn)臺(tái)對(duì)遠(yuǎn)程緩解電磁鐵進(jìn)行力值測(cè)試，所得結(jié)果與仿真結(jié)果相比效果見(jiàn)圖14。

圖14 仿真與試驗(yàn)磁力值對(duì)比圖

由對(duì)比結(jié)果可知，本文所設(shè)計(jì)的電磁鐵在輸出力值上達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，能夠快速可靠的將空氣開(kāi)關(guān)推起。 采用電阻法進(jìn)行電磁閥的溫升測(cè)試， 額定電壓下，線圈的溫升應(yīng)滿足絕緣材料溫升限值要求。

根據(jù)下式計(jì)算線圈的平均溫升值t：

式中：t—線圈平均溫升 （℃）；t1—試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的線圈溫度（℃）；t2—試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的線圈溫度（℃）；ta—試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的周圍空氣溫度 （℃）；R1—試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的線圈阻值（Ω）；R2—試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的線圈阻值（Ω）；α—線圈的溫度系數(shù)（1/234.5）。

常溫狀態(tài)下通110V 電壓2s，測(cè)量線圈電阻值并換算溫升值，溫升數(shù)據(jù)下。

測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2， 遠(yuǎn)程緩解電磁鐵在常溫狀態(tài)下試驗(yàn)的最后溫升在27.5℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語(yǔ)

圖15 電磁鐵溫升試驗(yàn)圖

本文提出了一種大吸力長(zhǎng)行程專用的大功率遠(yuǎn)程緩解電磁鐵，用于遠(yuǎn)程復(fù)位空氣開(kāi)關(guān)。 詳細(xì)介紹了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理， 這種電磁鐵具有行程大、磁力大、響應(yīng)快等特點(diǎn)。提出了一種嵌入式保護(hù)電路，可設(shè)定其控制電路的通電時(shí)長(zhǎng)，從而保護(hù)電磁鐵避免過(guò)熱損壞。

在建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上， 利用Maxwell 有限元仿真軟件建立了仿真模型，通過(guò)仿真分析，可準(zhǔn)確反映電磁鐵的性能；利用Ansays 熱耦合功能對(duì)電磁鐵進(jìn)行熱仿真設(shè)計(jì)，以此確定保護(hù)電路的通斷時(shí)間。設(shè)計(jì)人員可根據(jù)需求適當(dāng)調(diào)整相關(guān)參數(shù)， 優(yōu)化結(jié)構(gòu)， 節(jié)約了材料與時(shí)間成本，提高了效率。 最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證試制樣機(jī)的性能，試驗(yàn)結(jié)果與仿真設(shè)計(jì)結(jié)果相差不大，均滿足設(shè)計(jì)要求。